(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱源を冷却する冷却装置であって、
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記冷媒と外気との間で熱交換する第一熱交換器および第二熱交換器と、
前記冷媒を減圧する減圧器と、
前記冷媒と空調用空気との間で熱交換する第三熱交換器と、
前記第一熱交換器または前記第二熱交換器において凝縮された液状の前記冷媒を貯留する蓄液器と、
液状の前記冷媒を用いて前記発熱源を冷却する冷却部と、
前記第一熱交換器から前記蓄液器を経由して前記冷却部へ向かう前記冷媒の流れと、前記第二熱交換器から前記蓄液器を経由して前記冷却部へ向かう前記冷媒の流れと、を切り替える第一切替弁と、
前記第一熱交換器と前記蓄液器とを連通する第一経路と、
前記第二熱交換器と前記蓄液器とを連通する第二経路と、
前記蓄液器から前記冷却部へ向かう液状の前記冷媒が流れる第三経路と、
前記第一経路に設けられ、前記冷却部を流れる前記冷媒の流量を調整する第一流量調整弁と、
前記第二経路に設けられ、前記冷却部を流れる前記冷媒の流量を調整する第二流量調整弁と、
前記冷却部の出口側と、前記第一熱交換器と前記第一流量調整弁との間の前記第一経路と、を連通する第四経路と、
前記冷却部の出口側と、前記第二熱交換器と前記第二流量調整弁との間の前記第二経路と、を連通する第五経路と、
前記冷却部から前記第四経路を経由して前記第一熱交換器へ向かう前記冷媒の流れと、前記冷却部から前記第五経路を経由して前記第二熱交換器へ向かう前記冷媒の流れと、を切り替える第二切替弁と、を備える、冷却装置。
【請求項２】
前記第一経路とともに前記第一熱交換器に流出入する前記冷媒の経路を構成する、第六経路と、
前記冷却部の出口側と、前記第六経路と、を連通する連通路と、
前記連通路を開閉する開閉弁と、を備える、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記発熱源は、前記第一熱交換器よりも下方に配置されている、請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記第一熱交換器は、前記冷媒から熱を放出させる放熱能力が前記第二熱交換器よりも高い、請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項５】
前記圧縮機において圧縮された前記冷媒から前記空調用空気へ伝熱し前記空調用空気を加熱する、室内凝縮器を備え、
前記室内凝縮器は、前記第三熱交換器に対し前記空調用空気の流れの下流側に配置される、請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項６】
前記圧縮機から前記第一切替弁を経由して前記第二熱交換器へ流れる前記冷媒の経路に設けられ、前記冷媒を減圧する他の減圧器と、
前記他の減圧器で減圧された前記冷媒の一部を分岐させ前記第三熱交換器へ流す分岐路と、を備える、請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置に関し、特に、蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用して発熱源を冷却する冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の車両用空調装置に関し、たとえば特開平５−９６９４０号公報（特許文献１）には、車室内空気熱交換器を備え、四方切換え弁によって暖房モード運転および冷房モード運転が可能な、空気調和装置が開示されている。
【０００３】
近年、環境問題対策の一つとして、モータの駆動力により走行するハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車などが注目されている。このような車両において、モータ、ジェネレータ、インバータ、コンバータおよびバッテリなどの電気機器は、電力の授受によって発熱する。そのため、これらの電気機器を冷却する必要がある。そこで、車両用空調装置として使用される蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用して、発熱体を冷却する技術が提案されている。
【０００４】
たとえば特開２００５−９０８６２号公報（特許文献２）には、空調用の冷凍サイクルの減圧器、蒸発器および圧縮機をバイパスするバイパス通路に、発熱体を冷却するための発熱体冷却手段を設けた、冷却システムが開示されている。特開２００７−６９７３３号公報（特許文献３）には、膨張弁から圧縮機へ至る冷媒通路に、空調用の空気と熱交換する熱交換器と、発熱体と熱交換する熱交換器と、を並列に配置し、空調装置用の冷媒を利用して発熱体を冷却するシステムが開示されている。
【０００５】
特開２０００−１９８３４７号公報（特許文献４）には、モータからの排熱を冷却水で回収し、冷却水から冷媒に熱を移動させることで暖房能力を向上させる、ヒートポンプ式空気調和装置が開示されている。特開平９−２９０６２２号公報（特許文献５）には、車両搭載の発熱部分からの廃熱を回収して、ガスインジェクション用の冷媒に吸熱させることにより、低外気温時における暖房能力を、消費電力の増大を抑制しつつ、効果的に向上する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−９６９４０号公報
【特許文献２】特開２００５−９０８６２号公報
【特許文献３】特開２００７−６９７３３号公報
【特許文献４】特開２０００−１９８３４７号公報
【特許文献５】特開平９−２９０６２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に開示されている冷却システムでは、蒸気圧縮式冷凍サイクルに冷媒を循環するために圧縮機を運転する必要があり、加えて、発熱体に冷媒を供給して発熱体を冷却するために、常時ポンプを駆動する必要がある。そのため、燃費および／または電費が悪化する問題があった。
【０００８】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、冷房時および暖房時の両方において低動力で効率よく発熱源を冷却できる、冷却装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る冷却装置は、発熱源を冷却する冷却装置であって、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と外気との間で熱交換する第一熱交換器および第二熱交換器と、冷媒を減圧する減圧器と、冷媒と空調用空気との間で熱交換する第三熱交換器と、第一熱交換器または第二熱交換器において凝縮された液状の冷媒を貯留する蓄液器と、液状の冷媒を用いて発熱源を冷却する冷却部と、を備える。冷却装置はまた、第一切替弁とを備える。第一切替弁は、第一熱交換器から蓄液器を経由して冷却部へ向かう冷媒の流れと、第二熱交換器から蓄液器を経由して冷却部へ向かう冷媒の流れと、を切り替える。冷却装置はまた、第一熱交換器と蓄液器とを連通する第一経路と、第二熱交換器と蓄液器とを連通する第二経路と、蓄液器から冷却部へ向かう液状の冷媒が流れる第三経路と、第一経路に設けられ、冷却部を流れる冷媒の流量を調整する第一流量調整弁と、第二経路に設けられ、冷却部を流れる冷媒の流量を調整する第二流量調整弁と、を備える。冷却装置はまた、第四経路と、第五経路と、第二切替弁とを備える。第四経路は、冷却部の出口側と、第一熱交換器と第一流量調整弁との間の第一経路と、を連通する。第五経路は、冷却部の出口側と、第二熱交換器と第二流量調整弁との間の第二経路と、を連通する。第二切替弁は、冷却部から第四経路を経由して第一熱交換器へ向かう冷媒の流れと、冷却部から第五経路を経由して第二熱交換器へ向かう冷媒の流れと、を切り替える。
【００１０】
上記冷却装置において好ましくは、第六経路と、連通路と、開閉弁とを備える。第六経路は、第一経路とともに、第一熱交換器に流出入する冷媒の経路を構成する。連通路は、冷却部の出口側と、第六経路と、を連通する。開閉弁は、連通路を開閉する。
【００１１】
上記冷却装置において好ましくは、発熱源は、第一熱交換器よりも下方に配置されている。
【００１２】
上記冷却装置において好ましくは、第一熱交換器は、冷媒から熱を放出させる放熱能力が第二熱交換器よりも高い。
【００１３】
上記冷却装置において好ましくは、圧縮機において圧縮された冷媒から空調用空気へ伝熱し空調用空気を加熱する、室内凝縮器を備え、室内凝縮器は、第三熱交換器に対し空調用空気の流れの下流側に配置される。
【００１４】
上記冷却装置において好ましくは、圧縮機から第一切替弁を経由して第二熱交換器へ流れる冷媒の経路に設けられ、冷媒を減圧する他の減圧器と、他の減圧器で減圧された冷媒の一部を分岐させ第三熱交換器へ流す分岐路と、を備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の冷却装置によると、冷房時および暖房時の両方において、低動力で効率よく発熱源を冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】冷却装置の構成を示す模式図である。
【図２】冷却装置の運転モード毎の圧縮機および弁の設定を示す図である。
【図３】第１の運転モードにおける蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒の状態を示すモリエル線図である。
【図４】第２の運転モードにおける冷却装置の動作を示す模式図である。
【図５】第２の運転モードにおける蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒の状態を示すモリエル線図である。
【図６】第３の運転モードにおける冷却装置の動作を示す模式図である。
【図７】第３の運転モードにおける蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒の状態を示すモリエル線図である。
【図８】第４の運転モードにおける冷却装置の動作を示す模式図である。
【図９】図８に示す冷却装置の一部構成を示す模式図である。
【図１０】第４の運転モードにおける蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒の状態を示すモリエル線図である。
【図１１】第５の運転モードにおける冷却装置の動作を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００１８】
（冷却装置１の構成）
図１は、冷却装置１の構成を示す模式図である。図１に示すように、冷却装置１は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を備える。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、たとえば、車両の車内の冷暖房を行なうために、車両に搭載される。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を用いた冷房は、たとえば、冷房を行なうためのスイッチがオンされた場合、または、自動的に車両の室内の温度を設定温度になるように調整する自動制御モードが選択されており、かつ、車室内の温度が設定温度よりも高い場合に行なわれる。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を用いた暖房は、たとえば、暖房を行なうためのスイッチがオンされた場合、または、自動制御モードが選択されており、かつ、車室内の温度が設定温度よりも低い場合に行なわれる。
【００１９】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、圧縮機１２と、第一熱交換器としての熱交換器１４と、第二熱交換器としての熱交換器１５と、減圧器の一例としての膨張弁１６と、第三熱交換器としての熱交換器１８と、室内凝縮器としての熱交換器１３と、を含む。
【００２０】
圧縮機１２は、車両に搭載されたモータまたはエンジンを動力源として作動し、冷媒ガスを断熱的に圧縮して過熱状態冷媒ガスとする。圧縮機１２は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の作動時に流通する冷媒を吸入圧縮して、高温高圧の気相冷媒を吐出する。圧縮機１２は、冷媒通路２１に冷媒を吐出することで、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０に冷媒を循環させる。
【００２１】
熱交換器１４，１５は、冷媒を流通するチューブと、チューブ内を流れる冷媒と熱交換器１４，１５の周囲の空気との間で熱交換するためのフィンと、を含む。熱交換器１４，１５は、冷媒と外気の間で熱交換を行ない、圧縮機１２において圧縮された過熱状態冷媒ガスを外部媒体へ等圧的に放熱させて冷媒液とする。熱交換器１４，１５における冷却風と冷媒との熱交換によって、冷媒の温度は低下し冷媒は液化する。外気は、車両の走行によって発生する自然の通風によって熱交換器１４，１５に供給されてもよい。または外気は、コンデンサファンもしくはエンジン冷却用のラジエータファンなどの図示しない冷却ファンからの強制通風によって、熱交換器１４，１５に供給されてもよい。
【００２２】
膨張弁１６は、高圧の液相冷媒を小さな孔から噴射させることにより膨張させて、低温・低圧の霧状冷媒に変化させる。膨張弁１６は、凝縮された冷媒液を減圧して、気液混合状態の湿り蒸気とする。なお、冷媒液を減圧するための減圧器は、絞り膨張する膨張弁１６に限られず、毛細管であってもよい。
【００２３】
膨張弁１６は、膨張弁１６出口の冷媒と熱交換器１８出口の冷媒との圧力差と、ばね力と、のつりあいで弁の開度が決定される、温度式膨張弁であってもよい。温度式膨張弁は、熱交換器１８出口の冷媒の過熱度が一定になるようにその弁開度が制御される。たとえば、熱交換器１８出口の冷媒の過熱度が大きいと冷媒の圧力差が大きくなるが、この場合、弁開度が大きくなり冷媒の流量を増大することにより、冷媒の過熱度を小さくできる。逆に、熱交換器１８出口の冷媒の過熱度が小さいと、弁開度が小さくなり冷媒の流量を減少することにより、冷媒の過熱度を大きくできる。膨張弁１６は、温度式膨張弁に限られず、電気式の膨張弁を採用してもよい。
【００２４】
熱交換器１３，１８は、冷媒を流通するチューブと、チューブ内を流れる冷媒と熱交換器１３，１８の周囲の空気との間で熱交換するためのフィンと、を含む。熱交換器１３，１８は、ダクト９０内に配置され、ダクト９０内を流れる空調用空気と冷媒との間で熱交換する。熱交換器１３，１８を経由して蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を循環する冷媒と、空調用空気と、の熱交換によって、空調用空気の温度が調節される。空調用空気は、外気であってもよく、車両の室内の空気であってもよい。
【００２５】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０はまた、圧縮機１２に対し上流側の冷媒の経路に設けられたアキュムレータ８５を含む。アキュムレータ８５は、圧縮機１２の吸入する冷媒の状態を一定に保つために設けられている。アキュムレータ８５は、アキュムレータ８５へ流入する冷媒が気液二相混合状態である場合、冷媒を気液分離し、冷媒液をアキュムレータ８５内に溜め、飽和蒸気状態の気相冷媒を圧縮機１２に戻す機能を有する。アキュムレータ８５は、気体状の冷媒蒸気のみを圧縮機１２へ吸入させ、冷媒液が圧縮機１２へ流入するのを防止する役割を果たす。
【００２６】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０はまた、冷媒通路２１〜２９を備える。冷媒通路２１は、圧縮機１２と熱交換器１３とを連通する。冷媒は、冷媒通路２１を経由して、圧縮機１２と熱交換器１３との間を、圧縮機１２から熱交換器１３へ向かって流れる。冷媒通路２２は、熱交換器１３と熱交換器１４とを連通する。冷媒は、冷媒通路２２を経由して、熱交換器１３と熱交換器１４との間を、熱交換器１３から熱交換器１４へ向かって流れる。冷媒通路２３，２４は、熱交換器１４と熱交換器１５とを連通する。冷媒は、冷媒通路２３，２４を経由して、熱交換器１４と熱交換器１５との間を、熱交換器１４と熱交換器１５との一方から他方へ向かって流れる。
【００２７】
冷媒通路２５は、熱交換器１５と膨張弁１６とを連通する。冷媒は、冷媒通路２５を経由して、熱交換器１５と膨張弁１６との間を、熱交換器１５から膨張弁１６へ向かって流れる。冷媒通路２５には、冷媒通路２５を開閉可能な開閉弁４４が設けられている。開閉弁４４は、その開閉を切り換えることにより、冷媒通路２５の連通と遮断とを切り替え、冷媒通路２５を経由する冷媒の流通を可能または不可能にする。
【００２８】
冷媒通路２６は、膨張弁１６と熱交換器１８とを連通する。冷媒は、冷媒通路２６を経由して、膨張弁１６と熱交換器１８との間を、膨張弁１６から熱交換器１８へ向かって流れる。冷媒通路２７は、熱交換器１８と膨張弁１６とを連通する。冷媒は、冷媒通路２７を経由して、熱交換器１８と膨張弁１６との間を、熱交換器１８から膨張弁１６へ向かって流れる。
【００２９】
冷媒通路２８は、膨張弁１６とアキュムレータ８５とを連通する。冷媒は、冷媒通路２８を経由して、膨張弁１６とアキュムレータ８５との間を、膨張弁１６からアキュムレータ８５へ向かって流れる。冷媒通路２９は、アキュムレータ８５と圧縮機１２とを連通する。冷媒は、冷媒通路２９を経由して、熱交換器１８と圧縮機１２との間を、アキュムレータ８５から圧縮機１２へ向かって流れる。
【００３０】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、圧縮機１２、熱交換器１３，１４，１５、膨張弁１６および熱交換器１８が、冷媒通路２１〜２９によって連結されて構成される。なお、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷媒としては、たとえば二酸化炭素、プロパンやイソブタンなどの炭化水素、アンモニア、フロン類または水などを用いることができる。
【００３１】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０はまた、熱交換器１４と熱交換器１５との間の冷媒の経路上に配置された気液分離器８０を含む。気液分離器８０は、気液分離器８０に流入する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する。気液分離器８０の内部には、液相冷媒である冷媒液と、気相冷媒である冷媒蒸気と、が蓄蔵されている。気液分離器８０には、冷媒通路２３，２４と、後述する冷媒通路３３とが連結されている。
【００３２】
熱交換器１４で凝縮された冷媒は、飽和液と飽和蒸気とが混合した気液二相状態の湿り蒸気の状態にある。熱交換器１４から流出した冷媒は、冷媒通路２３を通って気液分離器８０へ供給される。冷媒通路２３から気液分離器８０へ流入する冷媒は、気液分離器８０の内部において気相と液相とに分離される。気液分離器８０は、冷媒を液体状の冷媒液とガス状の冷媒蒸気とに分離して、一時的に蓄える。気液分離器８０は、その内部に液状の冷媒である冷媒液を一時的に貯留する蓄液器としての機能を有する。
【００３３】
熱交換器１４と熱交換器１５との間を流れる冷媒の経路は、熱交換器１４と気液分離器８０とを連通する第一経路としての冷媒通路２３と、気液分離器８０と熱交換器１５とを連通する第二経路としての冷媒通路２４と、を含む。冷媒通路２３には、第一流量調整弁としての流量調整弁４２が設けられている。冷媒通路２３は、熱交換器１４と流量調整弁４２とを連通する冷媒通路２３ａと、流量調整弁４２と気液分離器８０とを連通する冷媒通路２３ｂと、を含む。冷媒通路２４には、第二流量調整弁としての流量調整弁４３が設けられている。冷媒通路２４は、気液分離器８０と流量調整弁４３とを連通する冷媒通路２４ａと、流量調整弁４３と熱交換器１５とを連通する冷媒通路２４ｂと、を含む。
【００３４】
熱交換器１４と熱交換器１５との間を流れる冷媒の経路はまた、第三経路としての冷媒通路３３と、第四経路としての冷媒通路３４と、第五経路としての冷媒通路３５と、を含む。冷媒通路３３は、気液分離器８０と冷却部３０の入口側とを連通する。冷媒通路３４は、冷却部３０の出口側と冷媒通路２３ａとを連通する。冷媒通路３５は、冷却部３０の出口側と冷媒通路２４ｂとを連通する。冷却部３０は、熱交換器１４と熱交換器１５との間を流れる冷媒の経路上に設けられている。冷媒通路３３を経由して、気液分離器８０から冷却部３０へ向かう液状の冷媒が流れる。冷却部３０を通過した冷媒は、冷媒通路３５を経由して冷媒通路２４ｂへ戻り、または、冷媒通路３４を経由して冷媒通路２３ａへ戻る。
【００３５】
気液分離器８０で気液分離された冷媒液は、冷媒通路３３を経由して、気液分離器８０の外部へ流出する。冷媒通路３３の端部は、気液分離器８０内に液相の冷媒が溜められる冷媒液貯留部に接続されており、液相冷媒の気液分離器８０からの流出口を形成する。気液分離器８０で気液分離された冷媒蒸気は、冷媒通路２３または冷媒通路２４を経由して、気液分離器８０の外部へ流出する。冷媒通路２３，２４の端部は、気液分離器８０内に気相の冷媒が溜められる冷媒蒸気貯留部に接続されており、その一方が気液分離器８０への冷媒の流入口を形成し、他方が気液分離器８０からの気相冷媒の流出口を形成する。冷媒通路２３，２４は、気液分離器８０で分離された気相冷媒が気液分離器８０から流出するための通路を形成する。
【００３６】
気液分離器８０の内部では、冷媒液が下側、冷媒蒸気が上側に溜まる。冷媒通路２３，２４の端部は、気液分離器８０の天井部に連結されている。冷媒通路３３の端部は、気液分離器８０の底部に連結されている。冷媒通路２３，２４のいずれか一方を経由して気液二相状態の冷媒が気液分離器８０の内部へ供給され、冷媒通路２３，２４の他方を経由して気液分離器８０の天井側から冷媒蒸気のみが気液分離器８０の外部へ送り出され、冷媒通路３３を経由して気液分離器８０の底側から冷媒液のみが気液分離器８０の外部へ送り出される。これにより、気液分離器８０は、気相冷媒と液相冷媒との分離を確実に行なうことができる。
【００３７】
冷却装置１は、熱交換器１４，１５の間に、並列に接続された二つの冷媒の経路を備える。より詳細には、冷却装置１は、熱交換器１４と気液分離器８０との間に並列に接続された二つの冷媒の経路と、熱交換器１５と気液分離器８０との間に並列に接続された二つの冷媒の経路と、を備える。
【００３８】
冷却部３０は、熱交換器１４と熱交換器１５との間において並列に接続された複数の冷媒の経路のうちの、一方に設けられている。冷却部３０は、車両に搭載される電気機器であるＥＶ（Electric  Vehicle）機器３１と、冷媒が流通する配管である冷却通路３２と、を含む。ＥＶ機器３１は、発熱源の一例である。冷却通路３２の入口側の端部は、冷媒通路３３に接続される。冷却通路３２の出口側の端部は、冷媒通路３４、３５に連通する。
【００３９】
冷媒通路２３は、熱交換器１４と気液分離器８０との間に並列に接続された冷媒の経路のうちの一方を構成する。気液分離器８０と冷却部３０とを連通する冷媒通路３３と、冷却部３０に含まれる冷却通路３２と、冷却部３０の出口側と冷媒通路２３ａとを連通する冷媒通路３４とは、熱交換器１４と気液分離器８０との間に並列に接続された冷媒の経路のうちの他方を構成する。冷媒通路３３は、冷却部３０よりも上流側の冷媒の経路であり、冷媒通路３３を経由して冷却部３０へ冷媒が流入する。冷媒通路３３は、液相の冷媒が気液分離器８０から冷却部３０に流れるための通路である。冷媒通路３４は、冷却部３０よりも下流側の冷媒の経路であり、冷媒は、冷却部３０から流出して冷媒通路３４へ流れ込む。冷媒通路３４は、冷却部３０から冷媒通路２３に冷媒を戻すための通路である。
【００４０】
冷媒通路２４は、熱交換器１５と気液分離器８０との間に並列に接続された冷媒の経路のうちの一方を構成する。気液分離器８０と冷却部３０とを連通する冷媒通路３３と、冷却部３０に含まれる冷却通路３２と、冷却部３０の出口側と冷媒通路２４ｂとを連通する冷媒通路３５とは、熱交換器１５と気液分離器８０との間に並列に接続された冷媒の経路のうちの他方を構成する。冷媒通路３５は、冷却部３０よりも下流側の冷媒の経路であり、冷媒は、冷却部３０から流出して冷媒通路３５へ流れ込む。冷媒通路３５は、冷却部３０から冷媒通路２４に冷媒を戻すための通路である。
【００４１】
気液分離器８０から流出した冷媒液は、冷媒通路３３を経由して、冷却部３０へ向かって流れる。冷却部３０へ流通し、冷却通路３２を経由して流れる冷媒は、発熱源としてのＥＶ機器３１と冷媒との温度差に応じて、ＥＶ機器３１から熱を奪って、ＥＶ機器３１を冷却させる。冷却部３０は、気液分離器８０において気液分離された飽和液状態の冷媒を用いて、ＥＶ機器３１を冷却する。冷却部３０において、冷却通路３２内を流通する冷媒と、ＥＶ機器３１と、が熱交換することにより、ＥＶ機器３１は冷却され、冷媒は加熱される。
【００４２】
気液分離器８０の内部には、飽和液状態の冷媒液が貯留されている。気液分離器８０は、その内部に液状の冷媒である冷媒液を一時的に貯留する蓄液器として機能する。気液分離器８０内に所定量の冷媒液が溜められることにより、負荷変動時にも気液分離器８０から冷却部３０へ流れる冷媒の流量を維持できる。気液分離器８０が液だめ機能を有し、負荷変動に対するバッファとなり負荷変動を吸収できるので、ＥＶ機器３１の冷却性能を安定させることができる。
【００４３】
冷却部３０は、冷却通路３２においてＥＶ機器３１と冷媒との間で熱交換が可能な構造を有するように設けられる。本実施の形態においては、冷却部３０は、たとえば、ＥＶ機器３１の筐体に冷却通路３２の外周面が直接接触するように形成された冷却通路３２を有する。冷却通路３２は、ＥＶ機器３１の筐体と隣接する部分を有する。当該部分において、冷却通路３２を流通する冷媒と、ＥＶ機器３１との間で、熱交換が可能となる。
【００４４】
ＥＶ機器３１は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の熱交換器１４と熱交換器１５との間の冷媒の経路の一部を形成する冷却通路３２の外周面に直接接続されて、冷却される。冷媒とＥＶ機器３１とが直接熱交換してもよく、または、冷媒とＥＶ機器３１を流れる水や油などの二次冷媒とが熱交換してもよい。冷却通路３２の外部にＥＶ機器３１が配置されるので、冷却通路３２の内部を流通する冷媒の流れにＥＶ機器３１が干渉することはない。そのため、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の圧力損失は増大しないので、圧縮機１２の動力を増大させることなく、ＥＶ機器３１を冷却することができる。
【００４５】
代替的には、冷却部３０は、ＥＶ機器３１と冷却通路３２との間に介在して配置された任意の公知の伝熱装置を備えてもよい。この場合ＥＶ機器３１は、冷却通路３２の外周面に伝熱装置を介して接続され、ＥＶ機器３１から冷却通路３２へ伝熱装置を経由して熱伝達することにより、冷却される。伝熱装置として、たとえばウィック式などのヒートパイプを使用することができる。ＥＶ機器３１をヒートパイプの加熱部とし冷却通路３２をヒートパイプの冷却部とすることで、冷却通路３２とＥＶ機器３１との間の熱伝達効率が高められるので、ＥＶ機器３１の冷却効率を向上できる。
【００４６】
伝熱装置によってＥＶ機器３１から冷却通路３２へ確実に熱伝達することができるので、ＥＶ機器３１と冷却通路３２との間に距離があってもよく、ＥＶ機器３１に冷却通路３２を接触させるために冷却通路３２を複雑に配置する必要がない。その結果、ＥＶ機器３１の配置が制限されることがなく、ＥＶ機器３１の配置の自由度を向上することができる。
【００４７】
ＥＶ機器３１は、電力の授受によって発熱する電気機器を含む。電気機器は、たとえば、直流電力を交流電力に変換するためのインバータ、回転電機であるモータジェネレータ、蓄電装置であるバッテリ、バッテリの電圧を昇圧させるための昇圧コンバータ、バッテリの電圧を降圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータなどの、少なくともいずれか一つを含む。バッテリは、リチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池等の二次電池である。バッテリに代えてキャパシタが用いられてもよい。
【００４８】
冷媒通路３４には、冷媒通路３４を開閉可能な開閉弁３７が設けられている。開閉弁３７は、その開閉を切り換えることにより、冷媒通路３４の連通と遮断とを切り替え、冷媒通路３３を経由する冷媒の流通を可能または不可能にする。開閉弁３７は、冷却部３０から流出する冷媒の経路である冷媒通路３４に設けられ、冷媒通路３４を開閉可能な、第一開閉弁としての機能を有する。
【００４９】
冷媒通路３５には、冷媒通路３５を開閉可能な開閉弁３８が設けられている。開閉弁３８は、その開閉を切り換えることにより、冷媒通路３５の連通と遮断とを切り替え、冷媒通路３５を経由する冷媒の流通を可能または不可能にする。開閉弁３８は、冷却部３０から流出する冷媒の経路である冷媒通路３５に設けられ、冷媒通路３５を開閉可能な、第二開閉弁としての機能を有する。
【００５０】
開閉弁３７と開閉弁３８とは、冷却部３０から冷媒通路３４を経由して熱交換器１４へ向かう冷媒の流れと、冷却部３０から冷媒通路３５を経由して熱交換器１５へ向かう冷媒の流れと、を切り替える、第二切替弁としての切替弁３６を構成する。なお、二つの開閉弁３７，３８によって切替弁３６が構成される例に限られず、たとえば冷媒通路３４，３５の分岐点に接続された三方弁を設け、当該三方弁がその開閉設定の切替により切替弁３６として機能してもよい。
【００５１】
流量調整弁４２は、熱交換器１４と気液分離器８０との間に並列に接続された冷媒の経路のうち、冷却部３０を経由しない方の一方の経路を形成する冷媒通路２３に設けられている。流量調整弁４２は、その弁開度を変動させ、流量調整弁４２を経由して流れる冷媒の圧力損失を増減させる。これにより、流量調整弁４２は、冷却部３０を経由することなく気液分離器８０と熱交換器１４との間を直接流れる冷媒の流量と、冷却通路３２を含むＥＶ機器３１の冷却系を経由して流れる冷媒の流量と、を任意に調節する。
【００５２】
流量調整弁４２の弁開度を大きくすれば、気液分離器８０から熱交換器１４へ流れる冷媒のうち、冷媒通路２３を経由して熱交換器１４へ直接流れる流量が大きくなり、冷媒通路３３を経由して冷却通路３２へ流れＥＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が小さくなる。流量調整弁４２の弁開度を小さくすれば、気液分離器８０から熱交換器１４へ流れる冷媒のうち、冷媒通路２３を経由して熱交換器１４へ直接流れる流量が小さくなり、冷却通路３２へ流れＥＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が大きくなる。
【００５３】
流量調整弁４３は、気液分離器８０と熱交換器１５との間に並列に接続された冷媒の経路のうち、冷却部３０を経由しない方の一方の経路を形成する冷媒通路２４に設けられている。流量調整弁４３は、その弁開度を変動させ、流量調整弁４３を経由して流れる冷媒の圧力損失を増減させる。これにより、流量調整弁４３は、冷却部３０を経由することなく気液分離器８０と熱交換器１５との間を直接流れる冷媒の流量と、冷却通路３２を含むＥＶ機器３１の冷却系を経由して流れる冷媒の流量と、を任意に調節する。
【００５４】
流量調整弁４３の弁開度を大きくすれば、気液分離器８０から熱交換器１５へ流れる冷媒のうち、冷媒通路２４を経由して熱交換器１５へ直接流れる流量が大きくなり、冷媒通路３３を経由して冷却通路３２へ流れＥＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が小さくなる。流量調整弁４３の弁開度を小さくすれば、気液分離器８０から熱交換器１５へ流れる冷媒のうち、冷媒通路２４を経由して熱交換器１５へ直接流れる流量が小さくなり、冷却通路３２へ流れＥＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が大きくなる。
【００５５】
流量調整弁４２，４３の弁開度を大きくするとＥＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が小さくなり、ＥＶ機器３１の冷却能力が低下する。流量調整弁４２，４３の弁開度を小さくするとＥＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が大きくなり、ＥＶ機器３１の冷却能力が向上する。流量調整弁４２，４３を使用して、ＥＶ機器３１に流れる冷媒の量を最適に調節できるので、ＥＶ機器３１を適切に温度制御することができ、ＥＶ機器３１の過熱および過冷却を確実に防止することができる。加えて、ＥＶ機器３１の冷却系の冷媒の流通に係る圧力損失および冷媒を循環させるための圧縮機１２の消費電力を、確実に低減することができる。
【００５６】
熱交換器１３，１８は、空調用空気が流通するダクト９０の内部に配置されている。ダクト９０は、ダクト９０に空調用空気が流入する入口であるダクト入口９１と、ダクト９０から空調用空気が流出する出口であるダクト出口９２と、を有する。ダクト９０の内部の、ダクト入口９１の近傍には、ファン９３が配置されている。
【００５７】
ファン９３が駆動することにより、ダクト９０内に空気の流れが発生する。ファン９３が稼働すると、ダクト入口９１を経由してダクト９０の内部へ空調用空気が流入する。ダクト９０内の空調用空気の流れの上流側に熱交換器１８が配置され、下流側に熱交換器１３が配置される。ダクト９０へ流入する空気は、外気であってもよく、車両の室内の空気であってもよい。図１中の矢印９７は、熱交換器１８を経由して流れる空調用空気の流れを示す。矢印９８は、ダクト出口９２を経由してダクト９０から流出する空調用空気の流れを示す。
【００５８】
ダクト９０の内部には、ダクト９０の内部空間を二つの空間に仕切る隔壁部９４が配置されている。隔壁部９４は、ダクト９０内の空気の流れ方向に沿って延在し、ダクト９０内を流れる空調用空気の流れを二つの流れに分離する。熱交換器１８は、隔壁部９４に対し空調用空気の流れの上流側に配置されている。熱交換器１３は、隔壁部９４によって仕切られた二つの空間のうちの一方に配置されている。
【００５９】
隔壁部９４の上流側には、ダンパ９６が設けられている。ダンパ９６は、隔壁部９４によって仕切られた二つの空間の各々へ流れる空調用空気の流量を調整する流量調整部としての機能を有する。隔壁部９４の上流側の端部に、ダンパ９６を駆動するアクチュエータ９５が設けられている。ダンパ９６は、アクチュエータ９５によって一端が支持され、当該一端を軸として両方向に回転可能である。ダンパ９６の配置に応じて、空調用空気が熱交換器１３を経由して流れる場合と、空調用空気が熱交換器１３をバイパスして流れる場合と、が切り換えられて、ダクト出口９２での空調用空気の温度が調節される。
【００６０】
図１に示すダンパ９６の配置では、熱交換器１３へ流れる空調用空気の流れをダンパ９６が遮蔽している。そのため、空調用空気は熱交換器１３を通過せずにダクト９０内を流れる。この場合、熱交換器１３で空調用空気が加熱されることが防止され、空調用空気が低温に保たれる。一方、後述する図４に示すダンパ９６の配置では、ダンパ９６は空調用空気の流れを熱交換器１３へ導く。この場合、熱交換器１３において、圧縮機１２で断熱圧縮された冷媒から空調用空気へ熱伝達され、空調用空気は加熱される。
【００６１】
熱交換器１３を通過する空調用空気の流量を調節するための流量調整部は、ダンパ９６に限られるものではない。たとえば、ロールスクリーン状の流量調整部をダクト９０内に設置し、スクリーンの巻取り量を変化させることにより、ダクト９０内の空調用空気の流れを制御してもよい。
【００６２】
冷却装置１はまた、第一切替弁としての三方弁４１を含む。熱交換器１３と熱交換器１４とを連通する冷媒通路２２は、熱交換器１３と三方弁４１とを連通する冷媒通路２２ａと、三方弁４１と熱交換器１４とを連通する冷媒通路２２ｂと、を含む。冷却装置１はまた、三方弁４１に連結された冷媒通路７１と、冷媒通路７１を流れる冷媒を減圧する膨張弁７６と、膨張弁７６で絞り膨張された冷媒が流れる冷媒通路７２，７３，７４とを備える。三箇所の配管接続口を有する三方弁４１は、冷媒通路２２ａと、冷媒通路２２ｂと，冷媒通路７１とに連結されている。冷媒通路２２ａは、三方弁４１の第一の配管接続口に接続されている。冷媒通路２２ｂは、三方弁４１の第二の配管接続口に接続されている。冷媒通路７１は、三方弁４１の第三の配管接続口に接続されている。
【００６３】
冷媒通路７３，７４は、冷媒通路７２から分岐する冷媒の経路である。第一の分岐路としての冷媒通路７３は、冷媒通路７２と冷媒通路２５とを連通する。冷媒通路７３には、冷媒通路７３を開閉可能な開閉弁７７が設けられている。開閉弁７７は、その開閉を切り換えることにより、冷媒通路７３の連通と遮断とを切り替え、冷媒通路７３を経由する冷媒の流通を可能または不可能にする。第二の分岐路としての冷媒通路７４は、冷媒通路７２と冷媒通路２６とを連通する。冷媒通路７４には、冷媒通路７４を開閉可能な開閉弁７８が設けられている。開閉弁７８は、その開閉を切り換えることにより、冷媒通路７４の連通と遮断とを切り替え、冷媒通路７４を経由する冷媒の流通を可能または不可能にする。
【００６４】
冷媒通路７１，７２，７３は、熱交換器１３と熱交換器１４との間の冷媒の経路である冷媒通路２２と、熱交換器１５と膨張弁１６との間の冷媒の経路である冷媒通路２５と、を連通する。冷媒通路７１，７２，７４は、冷媒通路２２と、膨張弁１６と熱交換器１８との間の冷媒の経路である冷媒通路２６と、を連通する。
【００６５】
三方弁４１は、冷媒通路２２ａと冷媒通路２２ｂとの連通状態を切り替え、かつ冷媒通路２２ａと冷媒通路７１との連通状態を切り替える。三方弁４１は、冷媒通路２２ａと冷媒通路２２ｂとが連通し冷媒通路２２ａと冷媒通路７１とが非連通の第一の状態と、冷媒通路２２ａと冷媒通路７１とが連通し冷媒通路２２ａと冷媒通路２２ｂとが非連通の第二の状態と、を切り替える。
【００６６】
圧縮機１２で断熱圧縮された冷媒は、冷媒通路２１、熱交換器１３、冷媒通路２２ａを経て三方弁４１に至る。冷媒は、三方弁４１から冷媒通路２２ｂを経由して、熱交換器１４へ流れる。また冷媒は、三方弁４１から冷媒通路７１、膨張弁７６、冷媒通路７２，７３、冷媒通路２５を順に経由して、熱交換器１５へ流れる。また冷媒は、三方弁４１から冷媒通路７１、膨張弁７６、冷媒通路７２，７４、冷媒通路２６を順に経由して、熱交換器１８へ流れる。三方弁４１は、その開閉を切り替えることにより、熱交換器１３から熱交換器１４へ向かう冷媒の流れと、熱交換器１３から熱交換器１５および／または熱交換器１８へ向かう冷媒の流れと、を選択的に切り替える、経路選択部としての機能を有する。
【００６７】
膨張弁７６は、膨張弁１６と異なる他の減圧器としての機能を有し、冷媒通路７１を流れる冷媒を減圧する。膨張弁７６は、冷媒通路７１を流れる冷媒を絞り膨張させ、冷媒の圧力を低下させる。これにより、冷媒通路７１内を流れる冷媒と比較して、冷媒通路７２を流れる冷媒が、より低圧になる。膨張弁７６は、電子膨張弁であってもよい。または、他の減圧器は開度調整機能を有していなくてもよく、膨張弁７６に換えて細径のキャピラリーチューブが設けられてもよい。
【００６８】
冷却装置１はまた、冷媒通路２２ｂと冷媒通路２８とを連通する冷媒通路６１を備える。第六経路としての冷媒通路２２ｂは、冷媒通路２３とともに、熱交換器１４に流出入する冷媒の経路を構成する。冷媒通路６１には、冷媒通路６１を開閉可能な開閉弁６４が設けられている。開閉弁６４は、その開閉を切り換えることにより、冷媒通路６１の連通と遮断とを切り替え、冷媒通路６１を経由する冷媒の流通を可能または不可能にする。
【００６９】
冷媒通路６１にはまた、逆止弁６６が設けられている。逆止弁６６は、冷媒通路６１の、開閉弁６４よりも冷媒通路２８に近接する側に設けられている。逆止弁６６は、冷媒通路２８から開閉弁６４へ向かう冷媒の流れを禁止する。逆止弁６６は、熱交換器１８から冷媒通路２７，２８を経由して流れる冷媒が、冷媒通路６１へ流入することを防止し、冷媒通路２８からアキュムレータ８５へ確実に冷媒を流すために、設けられている。
【００７０】
冷却装置１はさらに、連通路５１を備える。連通路５１は、三方弁４１と熱交換器１４とを連通する冷媒通路２２ｂと、冷却部３０の出口側と、を連通する。連通路５１には、連通路５１を開閉可能な開閉弁５２が設けられている。開閉弁５２は、その開閉を切り換えることにより、連通路５１の連通と遮断とを切り替え、連通路５１を経由する冷媒の流通を可能または不可能にする。
【００７１】
開閉弁５２を開閉して冷却部３０から流出する冷媒の経路を切り換えることにより、ＥＶ機器３１を冷却した後の冷媒を、連通路５１および冷媒通路２２ｂを経由して熱交換器１４へ流すことができる。つまり、冷却部３０から流出した冷媒は、冷媒通路３４，２３ａを経由して熱交換器１４へ流れることができ、冷媒通路３５，２４ｂを経由して熱交換器１５へ流れることができ、さらに、連通路５１および冷媒通路２２ｂを経由して熱交換器１４へ流れることが可能である。
【００７２】
連通路５１に開閉弁５２を設ける構成に替えて、冷媒通路３４，３６および連通路５１の分岐点に四箇所の配管接続口を有する四方弁を設けてもよい。この場合、冷媒通路３４，３６および連通路５１をそれぞれ四方弁の配管接続口に接続し、四方弁の開閉設定を切り替えることにより、冷却部３０から流出する冷媒の経路として、冷媒通路３４、冷媒通路３５および連通路５１のいずれかの経路のうちの一つを任意に選択することができる。
【００７３】
流量調整弁４２，４３は、開度調整が可能な仕様の弁であり、たとえば電動弁であってもよい。開閉弁３７，３８，４４，５２，６４，７７，７８は、全開と全閉との切替が可能な仕様の弁であればよく、たとえば電磁弁であってもよい。
【００７４】
（第１の運転モード）
本実施の形態の冷却装置１は、第１〜第５の５つの運転モードによって、発熱源であるＥＶ機器３１を冷却することが可能である。図１には、冷却装置１が第１の運転モードに設定されている状態が図示されている。図２は、冷却装置１の運転モード毎の圧縮機および弁の設定を示す図である。
【００７５】
図２には、冷却装置１が異なる５つの運転モードのいずれかで運転される場合の、各運転モードにおける圧縮機１２の運転状況、ならびに、流量調整弁４２，４３、三方弁４１および開閉弁３７，３８，４４，５２，６４，７７，７８の開度の設定が示されている。図２にはさらに、冷却装置１の運転モード毎の、冷媒によるＥＶ機器３１の温度調節作用およびエアコンを用いた車室内の空調の状態が示されている。
【００７６】
図２中に示す運転モードのうち、第１の運転モードは、車両の車内の冷房用のエアコンが運転中の、車室内の冷房および除湿を行なう場合の運転モードである。なお、図１および後述する図４，６，８，１１において、実線で示される冷媒の経路に冷媒が流れ、点線で示される冷媒の経路には冷媒が流れない。
【００７７】
第１の運転モードのとき、車室内の冷房のために、膨張弁１６および熱交換器１８を含む経路に冷媒を流通させる必要があるので、圧縮機１２は運転状態である。流量調整弁４２は、冷媒通路２３を流れる冷媒の圧力損失を最小にするように、全開にされる。流量調整弁４３は、冷却部３０を流れる冷媒の流量を調整し、ＥＶ機器３１の冷却のために十分な冷媒が冷却部３０へ流れるように、弁開度を調整されている。三方弁４１は、冷媒通路２２ａと冷媒通路２２ｂとを連通させ、冷媒通路２２ａ，２２ｂの両方に対し冷媒通路７１が非連通とされるように、開閉を切り替えられている。
【００７８】
開閉弁３７は閉とされ、冷媒通路３４が遮断される。開閉弁３８は開とされ、冷媒通路３５が連通状態とされる。開閉弁５２は閉とされ、連通路５１が遮断される。切替弁３６および開閉弁５２は、冷却部３０から流出する冷媒が冷媒通路３５へ流れ冷媒通路３４および連通路５１へは流れないように、開閉を切り替えられている。開閉弁４４は開とされ、冷媒通路２５が連通状態とされる。開閉弁６４，７７，７８はいずれも閉とされ、冷媒通路６１，７３，７４が遮断される。
【００７９】
冷媒は、圧縮機１２と熱交換器１４，１５と膨張弁１６と熱交換器１８とが冷媒通路２１〜２９によって順に接続された冷媒循環流路を通って、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０内を循環する。
【００８０】
図１に示す冷房運転中は、ダクト９０から流出する空調用空気の温度を低く保つことが必要とされる。そのため、ダンパ９６を操作して、空調用空気が熱交換器１３を通過しないように、ダクト９０内の空調用空気の経路を設定する。このようにすれば、空調用空気が熱交換器１３で加熱されて冷房能力が低下することを抑制できるので、車両の室内を効率的に冷却することができ、冷房能力を確保することができる。
【００８１】
図３は、第１の運転モードにおける蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷媒の状態を示すモリエル線図である。図３中の横軸は、冷媒の比エンタルピーを示し、縦軸は、冷媒の絶対圧力を示す。比エンタルピーの単位はｋＪ／ｋｇであり、絶対圧力の単位はＭＰａである。図中の曲線は、冷媒の飽和蒸気線および飽和液線である。
【００８２】
図３中には、熱交換器１４の出口の冷媒通路２３から気液分離器８０を経由して冷媒通路３３へ流れ、冷却部３０へ流入してＥＶ機器３１を冷却し、冷却部３０から冷媒通路３５を経由して熱交換器１５の入口の冷媒通路２４ｂへ戻る、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０中の各点における冷媒の熱力学状態が示される。
【００８３】
図３に示すように、アキュムレータ８５から飽和蒸気状態の冷媒が圧縮機１２へ吸入され、圧縮機１２において冷媒は等比エントロピー線に沿って断熱圧縮される。圧縮機１２で圧縮されるに従って冷媒の圧力と温度とが上昇し、冷媒は、圧縮機１２の出口において高温高圧の過熱度の大きい過熱蒸気になる。
【００８４】
圧縮機１２において断熱圧縮された高温高圧の過熱蒸気状態の冷媒は、熱交換器１４へと流れ、熱交換器１４において冷却される。圧縮機１２から吐出された高圧の気相冷媒は、熱交換器１４において周囲に放熱し冷却されることによって、凝縮（液化）する。熱交換器１４における外気との熱交換によって、冷媒の温度は低下し冷媒は液化する。熱交換器１４へ入った高圧の冷媒蒸気は、熱交換器１４において等圧のまま過熱蒸気から乾き飽和蒸気になり、凝縮潜熱を放出し徐々に液化して気液混合状態の湿り蒸気になる。
【００８５】
気液二相状態の冷媒は、気液分離器８０において、飽和蒸気状態の冷媒蒸気と飽和液状態の冷媒液とに気液分離される。気液分離器８０から飽和液状態の冷媒が流出し、冷媒通路３３を経由して冷却部３０の冷却通路３２へ流れ、ＥＶ機器３１を冷却する。冷却部３０において、熱交換器１４で凝縮され気液分離器８０で気液分離された飽和液状態の液冷媒に熱を放出することで、ＥＶ機器３１が冷却される。ＥＶ機器３１との熱交換により、冷媒が加熱され、冷媒の乾き度が増大する。冷媒は、ＥＶ機器３１から潜熱を受け取って一部気化することにより、冷却部３０の出口において、飽和液と飽和蒸気とが混合した気液二相状態の湿り蒸気となる。
【００８６】
冷却部３０から流出した冷媒は、冷媒通路３５，２４ｂを経由して、熱交換器１５に流入する。冷媒の湿り蒸気は、熱交換器１５において周囲に放熱し外気と熱交換して冷却されることにより再度凝縮され、冷媒の全部が凝縮すると飽和液になり、さらに顕熱を放出して過冷却された過冷却液になる。冷媒は、熱交換器１５において、飽和温度以下にまで冷却される。その後冷媒は、冷媒通路２５を経由して膨張弁１６に流入する。膨張弁１６において、過冷却液状態の冷媒は絞り膨張され、比エンタルピーは変化せず温度と圧力とが低下して、低温低圧の気液混合状態の湿り蒸気となる。
【００８７】
膨張弁１６から出た湿り蒸気状態の冷媒は、冷媒通路２６を経由して熱交換器１８へ流入する。熱交換器１８のチューブ内には、湿り蒸気状態の冷媒が流入する。熱交換器１８は、その内部を流通する霧状冷媒が気化することによって、熱交換器１８に接触するように導入された空調用空気の熱を吸収する。熱交換器１８は、膨張弁１６によって減圧された冷媒を用いて、冷媒の湿り蒸気が蒸発して冷媒ガスとなる際の気化熱を、車両の室内へ流通する空調用空気から吸収して、車両の室内の冷房を行なう。熱が熱交換器１８に吸収されることによって温度が低下した空調用空気が車両の室内に再び戻されることによって、車両の室内の冷房が行なわれる。
【００８８】
冷媒は、熱交換器１８のチューブ内を流通する際に、フィンを経由して周囲の空調用空気の熱を蒸発潜熱として吸収することによって加熱され、等圧のまま蒸発する。冷房運転時には、熱交換器１８において高温の空調用空気と冷媒とが熱交換することにより空調用空気が冷却され、空調用空気の温度が低下し、冷媒は空調用空気からの熱伝達を受けて加熱される。
【００８９】
車室内の必要な冷房能力に応じて、熱交換器１８における冷媒と空調用空気との熱交換量が変化する。熱交換器１８において、全ての冷媒が過熱蒸気になるまで加熱されてもよく、全ての冷媒が乾き飽和蒸気になるまで加熱されてもよく、または、熱交換器１８の出口で冷媒は湿り飽和蒸気状態であってもよい。熱交換器１８から流出する冷媒が液相の冷媒を含む場合、アキュムレータ８５内に冷媒液が貯留され、気体状態の冷媒蒸気のみが圧縮機１２に吸入され、冷媒液が圧縮機１２へ流入することが防止される。図３には、湿り飽和蒸気状態の冷媒がアキュムレータ８５で気液分離され、アキュムレータ８５から乾き飽和蒸気状態の冷媒が流出して冷媒通路２９を経由して圧縮機１２に流れるときの、冷媒の状態が図示されている。
【００９０】
冷媒はこのようなサイクルに従って、圧縮、凝縮、絞り膨張、蒸発の状態変化を連続的に繰り返す。なお、上述した蒸気圧縮式冷凍サイクルの説明では、理論冷凍サイクルについて説明しているが、実際の蒸気圧縮式冷凍サイクル１０では、圧縮機１２における損失、冷媒の圧力損失および熱損失を考慮する必要があるのは勿論である。
【００９１】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の運転中に、冷媒は、蒸発器として作用する熱交換器１８において蒸発する際に気化熱を車両の室内の空気から吸収して、車室内の冷房を行なう。加えて、熱交換器１４で凝縮され気液分離器８０で気液分離された高圧の液冷媒が冷却部３０へ流通し、ＥＶ機器３１と熱交換することでＥＶ機器３１を冷却する。冷却装置１は、車両に搭載された発熱源であるＥＶ機器３１を、車両の室内の空調用の蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を利用して、冷却する。なお、ＥＶ機器３１を冷却するために必要とされる温度は、少なくともＥＶ機器３１の温度範囲として目標となる温度範囲の上限値よりも低い温度であることが望ましい。
【００９２】
熱交換器１８において被冷却部を冷却するために設けられた蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を利用して、ＥＶ機器３１の冷却が行なわれるので、ＥＶ機器３１の冷却のために、専用の水循環ポンプまたは冷却ファンなどの機器を設ける必要はない。そのため、ＥＶ機器３１の冷却のために必要な構成を低減でき、装置構成を単純にできるので、冷却装置１の製造コストを低減することができる。加えて、ＥＶ機器３１の冷却のためにポンプや冷却ファンなどの動力源を運転する必要がなく、動力源を運転するための消費動力を必要としない。したがって、ＥＶ機器３１の冷却のための消費動力を低減することができ、低動力でＥＶ機器３１を冷却することができる。
【００９３】
熱交換器１４では、冷媒を湿り飽和蒸気の状態にまで冷却すればよく、気液分離器８０で気液分離された飽和液状態の冷媒液が冷却部３０へ供給される。ＥＶ機器３１から蒸発潜熱を受け取り一部気化した湿り蒸気の状態の冷媒は、熱交換器１５で再度冷却される。湿り蒸気状態の冷媒を凝縮させ完全に飽和液にするまで、冷媒は一定の温度で状態変化する。熱交換器１５はさらに、車両の室内の冷房のために必要な程度の過冷却度にまで、液相冷媒を過冷却する。冷媒の過冷却度を過度に大きくする必要がないので、熱交換器１４，１５の容量を低減することができる。したがって、車室用の冷房能力を確保でき、かつ、熱交換器１４，１５のサイズを低減することができるので小型化され車載用に有利な、冷却装置１を得ることができる。
【００９４】
冷却装置１の設計段階で熱交換器１４，１５の仕様を決定する際には、ＥＶ機器３１の最大発熱量を設計値として用いる。ＥＶ機器３１が最大発熱量未満の熱量を発生する通常発熱時には、熱交換器１４，１５の能力に余裕ができる。そのため、最大発熱量のＥＶ機器３１を冷却しない状態になると、熱交換器１４，１５において、冷媒がより多くの空気と熱交換できるようになる。これは、熱交換器１４，１５が見かけ上大きくなり、熱交換器１４，１５の温度効率φｃが高くなったと考えることができる。
【００９５】
熱交換器１４，１５における空気側の放熱能力Ｑｃａは、熱交換器の温度効率φｃ、空気比熱Ｃａ、空気重量風量Ｇｅａ、および、冷媒温度Ｔｅｒから吸入空気温度Ｔｅａを減じた差（Ｔｅｒ−Ｔｅａ）に比例する。必要な放熱能力Ｑｃａは変わらず、また空気比熱Ｃａ、空気重量風量Ｇｅａおよび吸入空気温度Ｔｅａは外気温度および車速に従って決まるので、温度効率φｃが高くなった分、冷媒温度Ｔｅｒが低くなることになる。モリエル線図を参照すると、冷媒が気液二相状態のとき冷媒の温度と圧力とは線形の関係にあり、冷媒の圧力変化に従って冷媒の温度が変化する。つまり、熱交換器１４，１５での冷媒温度Ｔｅｒが低くなるとは、熱交換器１４，１５を流れる冷媒の圧力が低くなることを意味する。
【００９６】
熱交換器１４，１５での冷媒の圧力が下がり、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の高圧が降下する結果、圧縮機１２の出口での冷媒の圧力が相対的に低くてもよいことになる。そのため、圧縮機１２で冷媒を断熱圧縮するための動力を低減することができ、さらなる省動力化を達成することができる。したがって、車両の燃費を向上することができる。特に電気自動車においては、省動力化により、直接電費を向上することができる。
【００９７】
気液分離器８０から熱交換器１５へ向かって流れる冷媒の経路として、冷却部３０を通過しない経路である冷媒通路２４と、冷却部３０を経由してＥＶ機器３１を冷却する冷媒の経路である冷媒通路３３，３５および冷却通路３２と、が並列に設けられる。冷媒通路３３，３５を含むＥＶ機器３１の冷却系は、冷媒通路２４に対し並列に接続されている。そのため、気液分離器８０から流出した冷媒の一部のみが、冷却部３０へ流れる。冷媒通路２４に設けられた流量調整弁４３の開度調整によって、気液分離器８０から冷媒通路２４へ流れる冷媒と、冷却部３０を流れる冷媒と、の流量が適切に調整される。この流量調整により、ＥＶ機器３１の冷却のために必要な量の冷媒が冷却部３０へ流れ、ＥＶ機器３１は適切に冷却される。
【００９８】
熱交換器１４から冷却部３０を経由せず熱交換器１５へ流れる冷媒の経路と、熱交換器１４から冷却部３０を経由して熱交換器１５へ流れる冷媒の経路と、を並列に設け、一部の冷媒のみを冷媒通路３３，３５へ流通させることで、ＥＶ機器３１の冷却系に冷媒が流れる際の圧力損失を低減することができる。全ての冷媒が冷却部３０に流れないので、冷却部３０を経由する冷媒の流通に係る圧力損失を低減することができ、それに伴い、冷媒を循環させるための圧縮機１２の運転に必要な消費電力を低減することができる。
【００９９】
膨張弁１６を通過した後の低温低圧の冷媒をＥＶ機器３１の冷却に使用すると、熱交換器１８における車室内の空気の冷却能力が減少して、車室用の冷房能力が低下する。これに対し、本実施の形態の冷却装置１では、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０において、圧縮機１２から吐出された高圧の冷媒は、第一の凝縮器としての熱交換器１４と、第二の凝縮器としての熱交換器１５と、の両方によって凝縮される。圧縮機１２と膨張弁１６との間に二段の熱交換器１４，１５を配置し、ＥＶ機器３１を冷却する冷却部３０は、熱交換器１４と熱交換器１５との間に設けられている。熱交換器１５は、冷却部３０から膨張弁１６に向けて流れる冷媒の経路上に設けられている。
【０１００】
ＥＶ機器３１から蒸発潜熱を受けて加熱された冷媒を熱交換器１５において十分に冷却することにより、膨張弁１６の出口において、冷媒は、車両の室内の冷房のために本来必要とされる温度および圧力を有する。そのため、熱交換器１８において冷媒が蒸発するときに外部から受け取る熱量を十分に大きくできるので、熱交換器１８を通過する空調用空気を十分に冷却できる。このように、冷媒を十分に冷却できる熱交換器１５の放熱能力を定めることにより、車室内の空気を冷却する冷房の能力に影響を与えることなく、ＥＶ機器３１を冷却することができる。したがって、ＥＶ機器３１の冷却能力と、車室用の冷房能力との両方を、確実に確保することができる。
【０１０１】
熱交換器１４から冷却部３０へ流れる冷媒は、ＥＶ機器３１を冷却するときに、ＥＶ機器３１から熱を受け取り加熱される。冷却部３０において冷媒が飽和蒸気温度以上に加熱され冷媒の全量が気化すると、冷媒とＥＶ機器３１との熱交換量が減少してＥＶ機器３１を効率よく冷却できなくなり、また冷媒が配管内を流れる際の圧力損失が増大する。そのため、ＥＶ機器３１を冷却した後に冷媒の全量が気化しない程度に、熱交換器１４において十分に冷媒を冷却し、十分な量の液相の冷媒を気液分離器８０に供給するのが望ましい。
【０１０２】
具体的には、熱交換器１４の出口における冷媒の状態を飽和液に近づけ、典型的には熱交換器１４の出口において冷媒が飽和液線上にある状態にする。このように冷媒を十分に冷却できる能力を熱交換器１４が有する結果、熱交換器１４の冷媒から熱を放出させる放熱能力は、熱交換器１５の放熱能力よりも高くなる。放熱能力が相対的に大きい熱交換器１４において冷媒を十分に冷却することにより、ＥＶ機器３１から熱を受け取った冷媒を湿り蒸気の状態に留めることができ、冷媒とＥＶ機器３１との熱交換量の減少を回避できるので、ＥＶ機器３１を十分に効率よく冷却することができる。ＥＶ機器３１を冷却した後の湿り蒸気の状態の冷媒は、熱交換器１５において効率よく再度冷却され、飽和温度を下回る過冷却液の状態にまで冷却される。したがって、車室用の冷房能力とＥＶ機器３１の冷却能力との両方を確保した、冷却装置１を提供することができる。
【０１０３】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０に冷媒を循環させ、冷却部３０へ流れる飽和液状態の冷媒が蒸発する潜熱によってＥＶ機器３１から熱が奪われるので、ＥＶ機器３１を効率よく冷却することができる。加えて、膨張弁１６で低温低圧の霧状にされた冷媒を熱交換器１８に供給して空調用空気を冷却できるので、車室の冷房能力および除湿能力を確保することができる。
【０１０４】
（第２の運転モード）
図４は、第２の運転モードにおける冷却装置１の動作を示す模式図である。図２および図４を参照して、第２の運転モードは、車両の車内の暖房用のエアコンが運転中の、車室内の暖房能力を増大する一方除湿は行わない場合の運転モードである。
【０１０５】
第２の運転モードのとき、車室内の暖房のために、熱交換器１３を含む経路に冷媒を流通させる必要があるので、圧縮機１２は運転状態である。流量調整弁４２は、冷却部３０を流れる冷媒の流量を調整し、ＥＶ機器３１の冷却のために十分な冷媒が冷却部３０へ流れるように、弁開度を調整されている。流量調整弁４３は、冷媒通路２４を流れる冷媒の圧力損失を最小にするように、全開にされる。三方弁４１は、冷媒通路２２ａと冷媒通路７１とを連通させ、冷媒通路２２ａ，７１の両方に対し冷媒通路２２ｂが非連通とされるように、開閉を切り替えられている。
【０１０６】
開閉弁３７は開とされ、冷媒通路３４が連通状態とされる。開閉弁３８は閉とされ、冷媒通路３５が遮断される。開閉弁５２は閉とされ、連通路５１が遮断される。切替弁３６および開閉弁５２は、冷却部３０から流出する冷媒が冷媒通路３４へ流れ冷媒通路３５および連通路５１へは流れないように、開閉を切り替えられている。開閉弁６４，７７は開とされ、冷媒通路６１，７３が連通状態とされる。開閉弁４４，７８は閉とされ、冷媒通路２５，７４が遮断される。
【０１０７】
冷媒は、圧縮機１２と熱交換器１３と膨張弁７６と熱交換器１５，１４とが冷媒通路２１，２２ａ，７１，７２，７３，２５，２４，２３，２２ｂ，６１，２９によって順に接続された冷媒循環流路を通って、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０内を循環する。
【０１０８】
暖房運転中は、ダクト９０から流出する空調用空気の温度を高くすることが必要とされる。そのため、図４に示すようにダンパ９６を操作して、空調用空気が熱交換器１３を通過するように、ダクト１３内の空調用空気の経路を設定する。このようにすれば、圧縮機１２で断熱圧縮された高温高圧の冷媒と空調用空気との熱交換によって空調用空気を加熱でき、車両の室内を効率的に暖めることができるので、車室内の暖房能力を確保することができる。
【０１０９】
図５は、第２の運転モードにおける蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷媒の状態を示すモリエル線図である。図５中の横軸は、冷媒の比エンタルピーを示し、縦軸は、冷媒の絶対圧力を示す。比エンタルピーの単位はｋＪ／ｋｇであり、絶対圧力の単位はＭＰａである。図中の曲線は、冷媒の飽和蒸気線および飽和液線である。
【０１１０】
図５中には、熱交換器１５の出口の冷媒通路２４から気液分離器８０を経由して冷媒通路３３へ流れ、冷却部３０へ流入してＥＶ機器３１を冷却し、冷却部３０から冷媒通路３４を経由して熱交換器１４の入口の冷媒通路２３ａへ戻る、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０中の各点における冷媒の熱力学状態が示される。
【０１１１】
図５に示すように、アキュムレータ８５から飽和蒸気状態の冷媒が圧縮機１２へ吸入され、圧縮機１２において冷媒は等比エントロピー線に沿って断熱圧縮される。圧縮機１２で圧縮されるに従って冷媒の圧力と温度とが上昇し、冷媒は、圧縮機１２の出口において高温高圧の過熱度の大きい過熱蒸気になり、熱交換器１３へ流れる。
【０１１２】
熱交換器１３へ入った高圧の冷媒蒸気は、熱交換器１３において冷却され、等圧のまま過熱蒸気から乾き飽和蒸気になり、凝縮潜熱を放出し徐々に液化して気液混合状態の湿り蒸気になり、冷媒の全部が凝縮すると飽和液になり、さらに顕熱を放出して過冷却液になる。熱交換器１３は、圧縮機１２において圧縮された過熱状態冷媒ガスを、空調用空気へ等圧的に放熱させて冷媒液とする。圧縮機１２から吐出された気相冷媒は、熱交換器１３において空調用空気に放熱し冷却されることによって、凝縮（液化）する。熱交換器１３における熱交換によって、冷媒の温度は低下し冷媒は液化する。暖房運転時には、熱交換器１３において低温の空調用空気と冷媒とが熱交換し、冷媒から空調用空気へ伝熱することにより空調用空気が加熱され、空調用空気の温度が上昇し、冷媒は空調用空気へ放熱し冷却される。
【０１１３】
熱交換器１３で液化した高圧の液相冷媒は、冷媒通路２２ａ，７１を経由して膨張弁７６に流入する。膨張弁７６において、過冷却液状態の冷媒は絞り膨張され、冷媒の比エンタルピーは変化せず温度と圧力とが低下して、低温低圧の気液混合状態の湿り蒸気となる。
【０１１４】
膨張弁７６において温度が下げられた冷媒は、冷媒通路７２，７３を経由して熱交換器１５へ流れる。熱交換器１５のチューブ内には、湿り蒸気状態の冷媒が流入する。冷媒は、チューブ内を流通する際に、フィンを経由して外気の熱を蒸発潜熱として吸収することによって等圧のまま蒸発する。熱交換器１５における外気との熱交換により、冷媒が加熱され、冷媒の乾き度が増大する。熱交換器１５において潜熱を受け取って一部の冷媒が気化することにより、湿り蒸気状態の冷媒中に含まれる飽和蒸気の割合が増加する。
【０１１５】
気液二相状態の冷媒は、気液分離器８０において、飽和蒸気状態の冷媒蒸気と飽和液状態の冷媒液とに気液分離される。気液分離器８０から飽和液状態の冷媒が流出し、冷媒通路３３を経由して冷却部３０の冷却通路３２へ流れ、ＥＶ機器３１を冷却する。冷却部３０において、気液分離器８０で気液分離された飽和液状態の液冷媒に熱を放出することで、ＥＶ機器３１が冷却される。ＥＶ機器３１との熱交換により、冷媒が加熱され、冷媒の乾き度が増大する。冷媒は、ＥＶ機器３１から潜熱を受け取って一部気化することにより、冷却部３０の出口において、飽和液と飽和蒸気とが混合した気液二相状態の湿り蒸気となる。
【０１１６】
冷却部３０から出た湿り蒸気状態の冷媒は、冷媒通路３４、２３ａを経由して熱交換器１４へ流入する。熱交換器１４のチューブ内には、湿り蒸気状態の冷媒が流入する。冷媒は、チューブ内を流通する際に、フィンを経由して外気の熱を蒸発潜熱として吸収することによって等圧のまま蒸発し、湿り蒸気状態の冷媒中に含まれる飽和蒸気の割合が増加する。
【０１１７】
熱交換器１４において、全ての冷媒が過熱蒸気になるまで加熱されてもよく、全ての冷媒が乾き飽和蒸気になるまで加熱されてもよく、または、熱交換器１４の出口で冷媒は湿り飽和蒸気状態であってもよい。熱交換器１４から流出する冷媒が液相の冷媒を含む場合、アキュムレータ８５内に冷媒液が貯留され、気体状態の冷媒蒸気のみが圧縮機１２に吸入され、冷媒液が圧縮機１２へ流入することが防止される。図５には、湿り飽和蒸気状態の冷媒がアキュムレータ８５で気液分離され、アキュムレータ８５から乾き飽和蒸気状態の冷媒が流出して冷媒通路２９を経由して圧縮機１２に流れるときの、冷媒の状態が図示されている。冷媒はこのようなサイクルに従って、圧縮、凝縮、絞り膨張、蒸発の状態変化を連続的に繰り返す。
【０１１８】
本実施の形態の冷却装置１は、冷房運転時と暖房運転時とで蒸気圧縮式冷凍サイクル１０内の冷媒の流れを切り換える三方弁４１を備える。暖房運転時に、熱交換器１３は、その内部を流通する冷媒蒸気が凝縮することによって、熱交換器１３に接触するように導入された空調用空気へ熱を加える。熱交換器１３は、圧縮機１２で断熱圧縮された高温高圧の冷媒を用いて、冷媒ガスが凝縮して冷媒の湿り蒸気となる際の凝縮熱を、車両の室内へ流通する空調用空気へ放出して、車両の室内の暖房を行なう。熱交換器１３から熱を受け取ることによって温度が上昇した空調用空気が車両の室内に流入することによって、車両の室内の暖房が行なわれる。
【０１１９】
冷却装置１は、冷房運転時と暖房運転時との両方の場合に、車両の室内へ流通する空調用空気の温度を適切に調節できる。そのため、冷却装置１のコストを低減することができ、加えて、冷却装置１を小型化することができる。また冷媒は、暖房運転時に、冷却部３０へ流通し、ＥＶ機器３１と熱交換することでＥＶ機器３１を冷却する。冷却装置１は、車両に搭載された発熱源であるＥＶ機器３１を、車両の室内の空調用の蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を利用して、冷却する。
【０１２０】
したがって、車両の室内の優れた暖房性能を維持しつつ、ＥＶ機器３１を適切に冷却できる、車室用の暖房能力とＥＶ機器３１の冷却能力との両方を確保した冷却装置１を提供することができる。冷却部３０において、ＥＶ機器３１は膨張弁７６で絞り膨張された後の低温低圧の冷媒と熱交換するので、ＥＶ機器３１の冷却能力をより向上できる。
【０１２１】
暖房運転時に冷媒は、冷却部３０においてＥＶ機器３１から吸熱することにより加熱され、熱交換器１４において外気から吸熱することによりさらに加熱される。冷却部３０と熱交換器１４との両方で冷媒を加熱することにより、ＥＶ機器３１の廃熱を室内の暖房に有効利用できるので、成績係数が向上し、暖房運転時の圧縮機１２での冷媒の断熱圧縮のための消費動力を低減することができる。
【０１２２】
冷却装置１は、一台の気液分離器８０を備える。この一台の気液分離器８０を使用して、冷房運転時と暖房運転時との両方において、気液二相状態にある冷媒を気液分離し、気液分離器８０で分離された液相冷媒である冷媒液のみが冷却部３０に供給されてＥＶ機器３１を冷却する。この液相冷媒は、過不足の全くない真に飽和液状態の冷媒である。そのため、気液分離器８０から液相の冷媒のみを取り出し冷却部３０へ流すことにより、気液分離器８０の上流側に配置された熱交換器１５の能力を最大限に活用してＥＶ機器３１を冷却することができるので、ＥＶ機器３１の冷却能力を向上させた冷却装置１を提供することができる。
【０１２３】
気液分離器８０の出口で飽和液の状態にある冷媒をＥＶ機器３１を冷却する冷却通路３２に導入することにより、冷却通路３２を含むＥＶ機器３１の冷却系を流れる冷媒のうち、気相状態の冷媒を最小限に抑えることができる。そのため、ＥＶ機器３１の冷却系を流れる冷媒蒸気の流速が早くなり圧力損失が増大することを抑制でき、冷媒を流通させるための圧縮機１２の消費電力を低減できるので、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の性能の悪化を回避することができる。
【０１２４】
気液分離器８０内に所定量の冷媒液が溜められることにより、冷房運転と暖房運転との切り換え時にも気液分離器８０から冷却部３０へ流れる冷媒の流量を維持できる。気液分離器８０が液だめ機能を有することにより、冷暖房切換の際に熱交換器１４，１５から気液分離器８０へ流れる冷媒の流量が一時的に低下する冷媒流量の変動を吸収できる。したがって、冷暖房の切り換え時に冷却部３０への冷媒供給量が不足することを回避でき、ＥＶ機器３１の冷却性能を安定させることができる。
【０１２５】
気液分離器８０から熱交換器１４へ向かって流れる冷媒の経路として、冷却部３０を通過しない経路である冷媒通路２３と、冷却部３０を経由してＥＶ機器３１を冷却する冷媒の経路である冷媒通路３３，３４および冷却通路３２と、が並列に設けられる。冷媒通路３３，３４を含むＥＶ機器３１の冷却系は、冷媒通路２３に対し並列に接続されている。そのため、気液分離器８０から流出した冷媒の一部のみが、冷却部３０へ流れる。冷媒通路２３に設けられた流量調整弁４２の開度調整によって、気液分離器８０から冷媒通路２３へ流れる冷媒と、冷却部３０を流れる冷媒と、の流量が適切に調整される。この流量調整により、ＥＶ機器３１の冷却のために必要な量の冷媒が冷却部３０へ流れ、ＥＶ機器３１は適切に冷却される。
【０１２６】
熱交換器１５から冷却部３０を経由せず熱交換器１４へ流れる冷媒の経路と、熱交換器１５から冷却部３０を経由して熱交換器１４へ流れる冷媒の経路と、を並列に設け、一部の冷媒のみを冷媒通路３３，３４へ流通させることで、ＥＶ機器３１の冷却系に冷媒が流れる際の圧力損失を低減することができる。全ての冷媒が冷却部３０に流れないので、冷却部３０を経由する冷媒の流通に係る圧力損失を低減することができ、それに伴い、冷媒を循環させるための圧縮機１２の運転に必要な消費電力を低減することができる。
【０１２７】
上述した通り、ＥＶ機器３１が最大発熱量未満の熱量を発生する通常発熱時には、熱交換器１４，１５が見かけ上大きくなり、熱交換器１４，１５の温度効率φｃが高くなったと考えることができる。熱交換器１４，１５における空気側の冷房能力Ｑｅａは、熱交換器の温度効率φｃ、空気比熱Ｃａ、空気重量風量Ｇｅａ、および、吸入空気温度Ｔｅａから冷媒温度Ｔｅｒを減じた差（Ｔｅａ−Ｔｅｒ）に比例する。必要な冷房能力Ｑｅａは変わらず、また空気比熱Ｃａ、空気重量風量Ｇｅａおよび吸入空気温度Ｔｅａは外気温度および車速に従って決まるので、温度効率φｃが高くなった分、冷媒温度Ｔｅｒが高くなることになる。熱交換器１４，１５での冷媒温度Ｔｅｒが高くなるとは、熱交換器１４，１５を流れる冷媒の圧力が高くなることを意味する。
【０１２８】
熱交換器１４，１５での冷媒の圧力が上がり、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の低圧が上昇する結果、圧縮機１２入口の冷媒の圧力が高くなる。そのため、圧縮機１２の出口で所定の冷媒圧力を得るために圧縮機１２で冷媒を断熱圧縮するための動力を低減することができ、さらなる省動力化を達成することができる。したがって、車両の燃費を向上することができる。特に電気自動車においては、省動力化により、直接電費を向上することができる。
【０１２９】
（第３の運転モード）
図６は、第３の運転モードにおける冷却装置１の動作を示す模式図である。図２および図６を参照して、第３の運転モードは、車両の車内の暖房用のエアコンが運転中の、暖房能力が若干小さくなるものの車室内の除湿が可能になる場合の運転モードである。
【０１３０】
第３の運転モードのとき、車室内の暖房のために、熱交換器１３を含む経路に冷媒を流通させる必要があるので、圧縮機１２は運転状態である。流量調整弁４２は、冷却部３０を流れる冷媒の流量を調整し、ＥＶ機器３１の冷却のために十分な冷媒が冷却部３０へ流れるように、弁開度を調整されている。流量調整弁４３は、冷媒通路２４を流れる冷媒の圧力損失を最小にするように、全開にされる。三方弁４１は、冷媒通路２２ａと冷媒通路７１とを連通させ、冷媒通路２２ａ，７１の両方に対し冷媒通路２２ｂが非連通とされるように、開閉を切り替えられている。
【０１３１】
開閉弁３７は開とされ、冷媒通路３４が連通状態とされる。開閉弁３８は閉とされ、冷媒通路３５が遮断される。開閉弁５２は閉とされ、連通路５１が遮断される。切替弁３６および開閉弁５２は、冷却部３０から流出する冷媒が冷媒通路３４へ流れ冷媒通路３５および連通路５１へは流れないように、開閉を切り替えられている。開閉弁６４，７７，７８はいずれも開とされ、冷媒通路６１，７３，７４が連通状態とされる。開閉弁４４は閉とされ、冷媒通路２５が遮断される。
【０１３２】
冷媒は、圧縮機１２と熱交換器１３と膨張弁７６と熱交換器１５，１４とが冷媒通路２１，２２ａ，７１，７２，７３，２５，２４，２３，２２ｂ，６１，２９によって順に接続された冷媒循環流路を通って、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０内を循環する。冷媒はまた、圧縮機１２と熱交換器１３と膨張弁７６と熱交換器１８とが冷媒通路２１，２２ａ，７１，７２，７４，２６〜２９によって順に接続された冷媒循環流路を通って、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０内を循環する。膨張弁７６を通過した冷媒は、熱交換器１５，１４と熱交換器１８とに並列に流れる。
【０１３３】
図７は、第３の運転モードにおける蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷媒の状態を示すモリエル線図である。図７中の横軸は、冷媒の比エンタルピーを示し、縦軸は、冷媒の絶対圧力を示す。比エンタルピーの単位はｋＪ／ｋｇであり、絶対圧力の単位はＭＰａである。図中の曲線は、冷媒の飽和蒸気線および飽和液線である。
【０１３４】
図７中には、図５にも示した冷却部３０へ流入してＥＶ機器３１を冷却する冷媒の熱力学状態に加えて、圧縮機１２で断熱圧縮され、熱交換器１３で凝縮され、膨張弁７６で絞り膨張され、熱交換器１８で蒸発する冷媒の熱力学状態が示される。ＥＶ機器３１を冷却する冷媒、および、圧縮機１２から膨張弁７６へ至る冷媒の状態は第２の運転モードと同じであるので、その説明は繰り返さず、以下では、第３の運転モードに特徴的な、膨張弁７６から熱交換器１８へ向かう冷媒の状態について説明する。
【０１３５】
膨張弁７６において減圧され温度が下げられた冷媒は、冷媒通路７２へ流れる。冷媒は冷媒通路７２から分岐して冷媒通路７３，７４へ流れ、一部の冷媒は冷媒通路７４，２６を経由して熱交換器１８へ流れる。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を循環する冷媒の一部が分岐して熱交換器１８へ流れ、熱交換器１８のチューブ内には、空調用空気の露点温度よりも低温の湿り蒸気状態の冷媒が流入する。熱交換器１８は、その内部を流通する霧状冷媒が気化することによって、熱交換器１８に接触するように導入された空調用空気の熱を吸収し、空調用空気の温度を低下させる。冷媒は、熱交換器１８のチューブ内を流通する際に、フィンを経由して周囲の空調用空気の熱を蒸発潜熱として吸収することによって加熱され、等圧のまま蒸発し、冷媒の乾き度が増大する。
【０１３６】
熱交換器１８の出口で、冷媒は湿り飽和蒸気状態である。その後冷媒はアキュムレータ８５へ流れる。アキュムレータ８５内に冷媒液が貯留され、気体状態の冷媒蒸気のみが圧縮機１２に吸入され、冷媒液が圧縮機１２へ流入することが防止される。
【０１３７】
以上説明した第３の運転モードでは、ダクト９０内を流通する空調用空気は、熱交換器１８において冷媒に熱を放出することで冷却される。空調用空気の温度が露点温度以下にまで下げられることにより、空調用空気に含まれる水蒸気が凝結し、空調用空気に含まれる水蒸気量が低下する。その後空調用空気は、熱交換器１３において冷媒から熱を受け取り加熱される。熱交換器１８で冷却された後の空調用空気を、熱交換器１３で加熱することにより、空調用空気の湿度が低下する。このようにして、乾燥した空調用空気が車両の室内に導入されるので、暖房運転に加えて、車室内の除湿が可能になる。
【０１３８】
第３の運転モードでは、熱交換器１８で空調用空気の温度が一旦下げられるため、第２の運転モードと比較して暖房能力が低下するものの、車室内を除湿できる点で有利である。車両に搭載される冷却装置１の場合、車窓のくもり除去などのための除湿機能が必須になる。本実施の形態によると、冷暖房機能に加えて除湿機能を備え、さらにＥＶ機器３１を適切に冷却できる冷却装置１を、簡単な構成で実現することができる。
【０１３９】
（第４の運転モード）
図８は、第４の運転モードにおける冷却装置１の動作を示す模式図である。図２および図８を参照して、第４の運転モードは、車両の車内の暖房用のエアコンが運転中の、車室内の除湿能力をより高める場合の運転モードである。
【０１４０】
第４の運転モードのとき、車室内の暖房のために、熱交換器１３を含む経路に冷媒を流通させる必要があるので、圧縮機１２は運転状態である。流量調整弁４２は、冷媒通路２３を流れる冷媒の圧力損失を最小にするように、全開にされる。流量調整弁４３は全閉にされ、冷媒通路２４が遮断される。三方弁４１は、冷媒通路２２ａと冷媒通路７１とを連通させ、冷媒通路２２ａ，７１の両方に対し冷媒通路２２ｂが非連通とされるように、開閉を切り替えられている。
【０１４１】
開閉弁３７，３８はいずれも閉とされ、冷媒通路３４，３５の両方が遮断される。開閉弁５２は開とされ、連通路５１が連通状態とされる。切替弁３６および開閉弁５２は、冷却部３０から流出する冷媒が連通路５１へ流れ冷媒通路３４および冷媒通路３５へは流れないように、開閉を切り替えられている。開閉弁７８は開とされ、冷媒通路７４が連通状態とされる。開閉弁４４，６４，７７はいずれも閉とされ、冷媒通路２５，６１，７３が遮断される。
【０１４２】
冷媒は、圧縮機１２と熱交換器１３と膨張弁７６と熱交換器１８とが冷媒通路２１，２２ａ，７１，７２，７４，２６〜２９によって順に接続された冷媒循環流路を通って、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０内を循環する。冷媒はまた、冷却部３０と熱交換器１４とが冷媒通路２３、気液分離器８０、冷媒通路３３、連通路５１、冷媒通路２２ｂによって接続された冷媒循環流路内を循環する。
【０１４３】
図９は、図８に示す冷却装置１の一部構成を示す模式図である。上述した三方弁４１、流量調整弁４２，４３および開閉弁３７，３８，５２，６４の開閉設定により、冷却部３０と熱交換器１４とを循環する冷媒の流れが発生する。すなわち、熱交換器１４から、冷媒通路２３、気液分離器８０および冷媒通路３３を順に経由して冷却部３０へ至り、さらに連通路５１、冷媒通路２２を順に経由して熱交換器１４へ戻る、閉じられた環状の経路が形成される。この環状の経路を経由して、熱交換器１４と冷却部３０との間に冷媒を循環させることができる。
【０１４４】
冷媒は、ＥＶ機器３１を冷却するとき、ＥＶ機器３１から蒸発潜熱を受けて蒸発する。ＥＶ機器３１との熱交換により気化された冷媒蒸気は、連通路５１および冷媒通路２２を順に経由して、熱交換器１４へ流れる。熱交換器１４において、車両の走行風または冷却ファンからの通風により、冷媒蒸気は冷却されて凝縮する。熱交換器１４で液化した冷媒液は、冷媒通路２３を経由して気液分離器８０へ流れる。気液分離器８０で気液分離された液状の冷媒が、冷媒通路３３を経由して冷却部３０へ戻る。
【０１４５】
このように、冷却部３０と熱交換器１４とを経由する環状の経路によって、ＥＶ機器３１を加熱部とし熱交換器１４を冷却部とする、ヒートパイプが形成される。したがって、圧縮機１２の動力を必要とせずに冷却部３０へ冷媒を供給できるので、ＥＶ機器３１を確実に冷却することができる。
【０１４６】
図９には、地面１００が図示されている。ＥＶ機器３１を冷却する冷却部３０は、地面１００に対して垂直な鉛直方向において、熱交換器１４よりも下方に配置されている。熱交換器１４と冷却部３０との間に冷媒を循環させる環状の経路において、冷却部３０が下方に配置され、熱交換器１４が上方に配置される。熱交換器１４は、冷却部３０よりも高い位置に配置される。
【０１４７】
この場合、冷却部３０で加熱され気化した冷媒蒸気は、環状の経路内を上昇して熱交換器１４へ到達し、熱交換器１４において冷却され、凝縮されて液冷媒となり、重力の作用により環状の経路内を下降して冷却部３０へ戻る。つまり、冷却部３０と、熱交換器１４と、これらを連結する冷媒の経路とによって、サーモサイフォン式のヒートパイプが形成される。ヒートパイプ運転時には、熱交換器１４で液化した冷媒の位置ヘッドが冷媒循環量に影響を与えるので、熱交換器１４を冷却部３０よりも高い位置に配置することでＥＶ機器３１から熱交換器１４への熱伝達効率を向上でき、ＥＶ機器３１の冷却能力をより向上できる。したがって、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０が停止しているときにも、動力を加えることなく、ＥＶ機器３１をより効率よく冷却することができる。
【０１４８】
図１０は、第４の運転モードにおける蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷媒の状態を示すモリエル線図である。図１０中の横軸は、冷媒の比エンタルピーを示し、縦軸は、冷媒の絶対圧力を示す。比エンタルピーの単位はｋＪ／ｋｇであり、絶対圧力の単位はＭＰａである。図中の曲線は、冷媒の飽和蒸気線および飽和液線である。
【０１４９】
図１０中には、図７にも示した膨張弁７６から熱交換器１８へ向かう冷媒の熱力学状態が実線で示され、さらに、熱交換器１４、気液分離器８０および冷却部３０を接続する冷媒の経路によって形成される閉ループ内を循環する冷媒の熱力学状態が点線で示される。空調用空気の暖房および除湿を行なうための冷媒の状態は第３の運転モードと同じであるので、その説明は繰り返さず、以下では、第４の運転モードに特徴的な、熱交換器１４と冷却部３０とを循環する冷媒の状態について説明する。
【０１５０】
熱交換器１４に流入した冷媒は、車両の走行風または冷却ファンからの通風により、熱交換器１４のチューブ内を流通する際に周囲に放熱し冷却されることによって、凝縮（液化）する。熱交換器１４における外気との熱交換によって、冷媒の温度は低下し冷媒は液化する。冷媒は、熱交換器１４において凝縮潜熱を放出し等圧のまま徐々に液化して気液混合状態の湿り蒸気になる。気液二相状態の冷媒は、冷媒通路２３を経由して気液分離器８０へ流れ、気液分離器８０において、飽和蒸気状態の冷媒蒸気と飽和液状態の冷媒液とに気液分離される。
【０１５１】
気液分離器８０から飽和液状態の冷媒が流出し、冷媒通路３３を経由して冷却部３０の冷却通路３２へ流れ、ＥＶ機器３１を冷却する。冷却部３０において、熱交換器１４で凝縮され気液分離器８０で気液分離された飽和液状態の液冷媒に熱を放出することで、ＥＶ機器３１が冷却される。ＥＶ機器３１との熱交換により、冷媒が加熱され、等圧のまま徐々に蒸発して、冷媒の乾き度が増大する。典型的には、冷却部３０において、全ての冷媒が乾き飽和蒸気になるまで冷媒とＥＶ機器３１との熱交換が行なわれる。ＥＶ機器３１との熱交換により一部または全部が気化された冷媒は、冷却部３０から流出して連通路５１および冷媒通路２２を順に経由して、熱交換器１４へ戻る。
【０１５２】
図６に示す第３の運転モードでは、膨張弁７６で減圧された低温低圧の冷媒の一部のみが熱交換器１８へ流れる。これに対し、第４の運転モードでは、膨張弁７６で減圧された低温低圧の冷媒の全部が熱交換器１８へ流れる。熱交換器１８に流れる冷媒の量が増大することにより、暖房能力は第３の運転モードと比較してより低下するものの、熱交換器１８において空調用空気をさらに冷却できるので、空調用空気の除湿能力が向上する。第４の運転モードで冷却装置１を運転することにより、車室内の空気をさらに除湿することができるので、早期かつ確実な除湿が可能になる。
【０１５３】
圧縮機１２によって駆動される冷媒は冷却部３０へ流れないが、熱交換器１４を凝縮器、冷却部３０を蒸発気とするループ式のヒートパイプが作動することによって、ＥＶ機器３１は確実に冷却される。ＥＶ機器３１の冷却のために圧縮機１２の動力は必要なく、無動力でＥＶ機器３１を冷却できる。
【０１５４】
したがって、より優れた除湿機能を備え、さらにＥＶ機器３１を適切に冷却できる冷却装置１を、簡単な構成で実現することができる。ＥＶ機器３１を無動力で冷却可能であるので、圧縮機１２の消費動力を低減して、一層の省電費化および快適性向上を達成することができる。
【０１５５】
（第５の運転モード）
図１１は、第５の運転モードにおける冷却装置１の動作を示す模式図である。図２および図１１を参照して、第５の運転モードは、車両の車内の暖房用のエアコンが停止中に、無動力でＥＶ機器３１を冷却する場合の運転モードである。
【０１５６】
第５の運転モードのとき、車室内の空調が停止され、空調用空気を加熱または冷却する必要がないので、圧縮機１２は停止状態である。流量調整弁４２は、冷媒通路２３を流れる冷媒の圧力損失を最小にするように、全開にされる。流量調整弁４３は全閉にされ、冷媒通路２４が遮断される。三方弁４１は、冷媒通路２２ａと冷媒通路７１とを連通させ、冷媒通路２２ａ，７１の両方に対し冷媒通路２２ｂが非連通とされるように、開閉を切り替えられている。
【０１５７】
開閉弁３７，３８はいずれも閉とされ、冷媒通路３４，３５の両方が遮断される。開閉弁５２は開とされ、連通路５１が連通状態とされる。切替弁３６および開閉弁５２は、冷却部３０から流出する冷媒が連通路５１へ流れ冷媒通路３４および冷媒通路３５へは流れないように、開閉を切り替えられている。開閉弁６４は閉とされ、冷媒通路６１が遮断される。その他の開閉弁４４，７７，７８の開閉は任意である。
【０１５８】
冷媒は、冷却部３０と熱交換器１４とが冷媒通路２３、気液分離器８０、冷媒通路３３、連通路５１、冷媒通路２２ｂによって接続された冷媒循環流路内を循環する。
【０１５９】
第４の運転モードと同様に、冷却部３０と熱交換器１４とを経由する環状の経路によって、ＥＶ機器３１を加熱部とし熱交換器１４を冷却部とする、ヒートパイプが形成される。この環状の経路を経由して、圧縮機１２を動作することなく、熱交換器１４と冷却部３０との間に冷媒を循環させることができる。
【０１６０】
そのため、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０が停止しているとき、すなわち車両用の冷房が停止しているときにも、圧縮機１２を起動する必要なく、ＥＶ機器３１を確実に冷却することができる。ＥＶ機器３１を無動力で冷却可能であり、ＥＶ機器３１の冷却のために圧縮機１２を常時運転する必要がないことにより、圧縮機１２の消費動力を低減して一層の省電費化および快適性向上を達成することができ、加えて、圧縮機１２を長寿命化できるので圧縮機１２の信頼性を向上することができる。
【０１６１】
第４および第５の運転モードでの冷却装置１の運転中に、閉ループ状の冷媒の経路内の冷媒の量が不足して冷媒の位置ヘッドが十分に確保できない場合には、三方弁４１を切り替えて冷媒通路２２ａと冷媒通路２２ｂとを連通させた状態で圧縮機１２を短時間のみ運転する追い込み運転を行なう。この追い込み運転により、熱交換器１３，１８に溜まった冷媒をくみ上げて閉ループ経路に供給し、閉ループ内の冷媒量を増加させ、ヒートパイプの冷媒量を確保する。その結果、ＥＶ機器３１の冷却に必要な冷却能力が得られる冷媒の位置ヘッドを確保できるので、ヒートパイプの熱交換処理量を増大でき、冷媒量の不足のためにＥＶ機器３１の冷却が不十分となることを回避することができる。
【０１６２】
なお、これまでの実施の形態においては、ＥＶ機器３１を例として車両に搭載された電気機器を冷却する冷却装置１について説明した。電気機器としては、少なくとも作動によって熱を発生させる電気機器であれば、インバータ、モータジェネレータなどの例示された電気機器に限定されるものではなく、任意の電気機器であってもよい。冷却の対象となる電気機器が複数個ある場合においては、複数の電気機器は、冷却の目標となる温度範囲が共通していることが望ましい。冷却の目標となる温度範囲は、電気機器を作動させる温度環境として適切な温度範囲である。
【０１６３】
さらに、本発明の冷却装置１により冷却される発熱源は、車両に搭載された電気機器に限られず、熱を発生する任意の機器、または任意の機器の発熱する一部分であってもよい。
【０１６４】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１６５】
本発明の冷却装置は、モータジェネレータおよびインバータなどの電気機器を搭載するハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車などの車両における、車内の冷房を行なうための蒸気圧縮式冷凍サイクルを使用した電気機器の冷却に、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【０１６６】
１  冷却装置、１０  蒸気圧縮式冷凍サイクル、１２  圧縮機、１３，１４，１５，１８  熱交換器、１６，７６  膨張弁、２１，２２，２２ａ，２２ｂ，２３，２３ａ，２３ｂ，２４，２４ａ，２４ｂ，２５，２６，２７，２８，２９，３３，３４，３５，６１，７１，７２，７３，７４  冷媒通路、３０  冷却部、３１  ＥＶ機器、３２  冷却通路、３６  切替弁、３７，３８，４４，５２，６４，７７，７８  開閉弁、４１  三方弁、４２，４３  流量調整弁、５１  連通路、６６  逆止弁、８０  気液分離器、８５  アキュムレータ、９０  ダクト、９３  ファン、９４  隔壁部、９６  ダンパ、１００  地面。
【図１】
0005531045.tif 000002
【図２】
0005531045.tif 000003
【図３】
0005531045.tif 000004
【図４】
0005531045.tif 000005
【図５】
0005531045.tif 000006
【図６】
0005531045.tif 000007
【図７】
0005531045.tif 000008
【図８】
0005531045.tif 000009
【図９】
0005531045.tif 000010
【図１０】
0005531045.tif 000011
【図１１】
0005531045.tif 000012